Около 45 % солнечной энергии излучается в инфракрасной области, 45 % – в видимой, 10 % – в ультрафиолетовой и рентгеновской областях.
Для живых организмов важны качественные признаки света – длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия.
Ультрафиолетовая (УФ) часть спектра характеризуется самой высокой энергией квантов и высокой фотохимической активностью.
Короткие УФ-лучи с длиной волны 150–400 нм губительны для всего живого. Они практически полностью поглощаются озоновым экраном, который представляет собой тонкий слой атмосферы, содержащий молекулы озона. Озоновый экран находится на высоте около 25–35 км от поверхности Земли.
До поверхности Земли доходит лишь небольшая часть более длинных ультрафиолетовых лучей (290–380 нм).
Эти лучи обладают высокой химической активностью – при большой дозе могут повреждать живые организмы. В небольших количествах, однако, они необходимы. У животных и человека длинноволновые УФ-лучи способствуют синтезу витамина D. Они имеют загарное и бактерицидное действие. Насекомые зрительно различают эти лучи, т. е. видят в ультрафиолетовом свете. Они могут ориентироваться по поляризованному свету.
У растений длинноволновые УФ-лучи способствуют синтезу некоторых биологически активных соединений (витаминов, пигментов).
Инфракрасные лучи (800–1000 нм) глаз человека не воспринимает, но они являются основным источником тепловой энергии.
Эти лучи поглощаются тканями животных и растений, вследствие чего ткани нагреваются. Многие холоднокровные животные (ящерицы, змеи, насекомые) используют солнечный свет для повышения температуры тела.
Инфракрасные лучи ускоряют ферментативные и иммунобиологические реакции, рост клеток и регенерацию тканей. У растений под их влиянием осуществляется транспирация, создаются оптимальные условия для работы устьичного аппарата.
Видимые лучи с длиной волны 400–750 нм, достигающие поверхности Земли, имеют особенно большое значение для организмов.
С областью видимой радиации, воспринимаемой глазом человека, практически совпадает область физиологической радиации (300–800 нм). При этом предел 380–710 нм относится к зоне высокой фотосинтетической активности.
Область физиологической радиации можно условно разделить на ряд зон:
– УФ более 400 нм;
– сине-фиолетовую от 400 до 500 нм;
– желто-зеленую – 500–600 нм;
– оранжево-красную – 600–700 нм;
– дальнюю красную – более 700 нм.
Видимый свет обеспечивает фотосинтез, имеет сигнальное и условно-рефлекторное значение для ориентировки в пространстве, усиливает биохимические процессы, иммунобиологическую реактивность.
Свет имеет разное экологическое значение для автотрофных и гетеротрофных организмов.
Растениям свет необходим для:
1) образования хлорофилла;
2) образования гран хлоропластов;
3) регуляции работы устьичного аппарата;
4) газообмена и транспирации;
5) активации ряда ферментов;
6) биосинтеза нуклеиновых кислот и белков;
7) влияния на сроки размножения, роста, цветения, плодоношения и формообразования.
Интенсивность фотосинтеза зависит от изменения длины волны света. Например, при прохождении света через воду красная и синяя части спектра отфильтровываются, а получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Однако красные водоросли имеют дополнительные пигменты (фикоэритрины), позволяющие им использовать эту энергию и жить на больших глубинах, чем зеленые водоросли.
У некоторых растений, например у эвкалипта, фотосинтез не ингибируется прямым солнечным светом. В данном случае имеет место компенсация факторов, так как отдельные растения и целые сообщества приспосабливаются к различным интенсивностям света, становясь адаптированными к тени (диатомовые, фитопланктон) или к прямому солнечному свету.
Световой режим отдельных растительных видов зависит от:
– географического положения местности;
– высоты над уровнем моря;
– рельефа местности;
– состояния атмосферы;
– времени суток;
– сезона года;
– солнечной активности.
По отношению к свету выделяют 3 группы растений.
1. Светолюбивые – растения открытых мест с хорошей освещенностью. Это растения степей, пустынь, полупустынь (ковыль, полынь, злаки) или верхних ярусов лесов (сосна, береза).
2. Теневыносливые – растения, которые могут произрастать в условиях хорошего освещения или легко переносить некоторое затенение. Например, дуб, ель, береза, осина, сосна, зверобой, земляника.
3. Тенелюбивые – растения, которые не выносят прямого света и нормально развиваются в условиях затенения. Сюда относят растения нижних ярусов лесов – мох, папоротники, ландыши, звездчатку.
Четких границ между тремя рассмотренными ранее экологическими группами растений не существует, так как среди них есть и переходные формы.
Для многих растений важны не только спектральный состав и интенсивность света, но и продолжительность светового времени.
Фотопериодизм – это регуляция биоритмов живых существ при помощи света. Он бывает суточный и сезонный. С фотопериодизмом у растений связано явление фототропизма – это движение отдельных органов растения к свету.
Например, движение соцветий подсолнуха в течение дня по ходу движения Солнца, раскрытие соцветий одуванчика утром и закрытие их вечером, рост комнатных растений в освещенную сторону. Это примеры суточного фотопериодизма.
Размер соотношения длительности дня и ночи возрастает от тропиков к полярному кругу. В высоких широтах обитают растения длинного дня, для начала их цветения нужен фотопериод больше 14–15 ч. В тропиках растут растения короткого дня – фотопериод меньше 10–11 ч.
Сезонный фотопериодизм хорошо выражен в средних и северных широтах, связан со сменой времен года. С наступлением длинного дня и потеплением (весной) в растениях начинается движение сока, набухают и раскрываются почки. С наступлением осени, когда растения реагируют на изменение длины светового дня, а не на температуру, начинается листопад, подготовка к зиме.
Для животных свет не является таким необходимым фактором, как для растений. Солнечная энергия непосредственно животными не усваивается, но является источником их жизнедеятельности.
1. Солнечный свет определяет суточный фотопериодизм жизни животных и их распределение по экологическим нишам.
Всех животных можно подразделить на дневных и ночных. Большинство проявляет наибольшую активность днем (жаворонки, волки, зайцы). Некоторые виды (летучие мыши, совы) приспособились к ночному образу жизни. Имеются также виды, живущие в постоянной темноте и не выносящие яркого солнечного света (например, в почве, глубоких пещерах).
Дневной и ночной образ жизни почти исключает конкуренцию между животными за источники пищи.
2. Солнечный свет позволяет животным легко ориентироваться в пространстве. Эволюционно он способствовал развитию органов зрения. Цветовое зрение распространено в разных группах животных, оно не одинаково: хорошо развито у некоторых видов членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но у других видов этих же групп оно может отсутствовать.
3. Свет определяет и сезонный фотопериодизм. Изменение длины светового дня является пусковым механизмом последовательности физиологических процессов, приводящих к линьке и накоплению жира, размножению у птиц и млекопитающих и к наступлению диапаузы у насекомых.
Изменение длины дня животные воспринимают с помощью органов зрения. А растения – с помощью специальных пигментов, расположенных в листьях растений. Их рецепторы воспринимают раздражения и вызывают ряд биохимических реакций (активация ферментов или выделение гормонов), а позднее проявляются физиологические или поведенческие реакции. Животные, для которых характерны миграции (перелеты птиц), готовятся к ним, мигрируют, несмотря на еще достаточное количество тепла и кормовой базы.
Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что их реакция на свет основана не на количестве получаемого света, а на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Все организмы (от одноклеточных до человека) способны измерять время, т. е. обладают «биологическими часами». «Биологические часы» также управляются сезонными циклами и другими биологическими явлениями.
«Биологические часы» определяют суточный ритм активности как целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности клеточных делений.
2.4.2. Температура
Температура является наиболее важным абиотическим климатическим фактором. От нее зависит интенсивность обмена веществ организмов и их географическое распространение.
Температура связана со средней кинетической энергией движения частиц, выражается в градусах различных шкал. Наиболее распространена шкала температур в градусах Цельсия (°С). В ее основу положена величина расширения воды, для которой температура кипения равна 100 °C. В системе СИ принята абсолютная шкала температур в Кельвинах: Т кипения воды = 373 К.
